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第32卷第5期
光学仪器
Vol 32, No 5
2010年10月
OPTICAL INSTRUMENTS
October, 2010
文章编号:1005-5630(2010)05-0080-04
自动阿贝折射仪的研究*
孙流星,邵懿芳
上海精密科学仪器有限公司,上海200233)
摘要:提出了基于光的全反射原理,利用单色发光二极管作为光源和线阵CCD作为传感器,结
合计算机图像处理技术,实现了WYA-Z自动阿贝折射似的设计。并简要介绍了仪器的工作原
理、光路系统、仪器组成、关键技术、设计要求及实验验证。实验结果表明:仪器的折射率测量范
围:1.3000~1.7000,精度no:士0.000,重复性n:士0.0001。该仪器不仅能自动测量液体的
折射率,还能自动测量液体的浓度,因此具有广的市场前景。
关键词:全反射;CCD;折射率;折射仪
中图分类号:TH744文献标识码:Adoi:10.3969/is1005-5630.2010.05.017
The study on automatic Abbe refractometer
SUN Liuxing, SHAO Yifang
(Shanghai Precision and Scientific Instruments Co, Ltd, Shanghai 200233, China)
Abstract: In this paper, we show a WYA-Z automatic Abbe refractometer, which is based on
the principle of total reflection of light using monochromatic light-emitting diodes as the light
source and linear array CCD as sensors and combined with computer image processing
technology. The working principle of the instrument, optical system, composition, key
technologies, design requirements and experiment are briefly described. Experimental results
show that its refractive index measurement range: 1.3000-l7000, accuracy np: 0.0002,
repeatability np: 0.0001. The instrument not only can automatically measure the refractive
index of liquid but also automatically measure the concentration, so it has broadly market
prospect.
Key words: total reflection; CCD; refractive index; refractometer
言
折射率是物质的重要光学常数之一,能借以了解物质的光学性能、纯度等。随着中国经济高速
发展和对外开放的不断深人,越来越多的领域对物质折射率的测量提出了更高要求。虽然测量物质
折射率的方法有许多种,但以光的全反射原理为基础设计出的阿贝折射仪,在实验室内使用最广
泛。在国外,许多著名国际大公司,如日本 Atago公司、德国A., KRUSS公司、美国 Rudolph公司等
推出了各种型号的自动阿贝折射仪,广泛应用于物质折射率的测量。在国内,由于不能自主制造自
动阿贝折射仪,在实验室内还大量使用传统的纯光学阿贝折射仪。而传统的阿贝折射仪由于采用手
收稿日期:201004-09
作者简介:孙流星(1979-),男,江西丰城人,工程师,硬土研究生,主要从事物理光学仪器及光谐仪器的研究
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第5期
孙流星,等:自动阿贝折射仪的研究
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动调节、目视瞄准,故存在测量速度慢、测量精度的高低因人而异等缺点。针对传统阿贝折射仪的
缺点,文中提出利用单色发光二极管为光源,采用线阵CCD为传感器,采集物体折射率相对应黑
白分界线的图像,结合计算机图像处理技术,自动识别分界线位置,实现折射率的自动测量。现设
计完成的WYA-Z自动阿贝折射仪具有测量折射率范围大、响应速度快、自动温度补偿、重复性好等
优点。
测量原理和光路系统
折射仪的基本原理即为折射定律21: n sing1= 12 sina2,m,n2为交界面两侧的两种介质之折射率,
a1为人射角,a2为折射角(见图1)。若光线从光密介质进入光疏介质,入射角小于折射角,改变入射角可
以使折射角达到90°,发生全反射现象,此时的入射角称为临界角。仪器测定折射率就是基于测定临界角
的原理的。
WYA-Z自动阿贝折射仪的光路系统是根据光在不同介质溶液中传播时发生的全反射现象,得到不
同折射率溶液形成的明暗分界线,然后用线阵CCD采集图像,把分界线的位置检测出来,得到不同介质
溶液的折射率?。其折射率的计算公式可以由图2所示的关系中推导出来,ABCD为一折射棱镜,其折射
率为m1。AB面上面是被测物体,其折射率为m2,由折射定律得
sin90'=n sina
na =sin?
(2)
小=a+B
3
na=singvni sin'i-cos sini
其中角可以由分界线到CCD中心位置的距离和成像透镜焦距相除的反正切函数计算得到。
A
B
图1光线折射
图2棱镜与被测物质的光线折射
Fig 1 Light refraction
Fig 2 Light refraction between prism and
the tested material
图3是WYA-Z自动阿贝折射仪的光学系统图,图4是仪器的工作原理图。
CD检测
部件及样品光源
被测液体
聚光透镜
22.成像透镜
温度传感器
控制系统
显示
LED
棱镜
电源
图3自动阿贝折射仪光路系统
图4自动阿贝折射仪工作原理图
Fig 3 Optical system of automatie
ig. 4 The working principle of automatic
Abbe refractometer
Abbe refractometer
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